DE102014214640A1 - Method for producing a component from heat-treated cast iron - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines vergüteten Bauteils aus sonderwärmebehandeltem Gusseisen (AGI). Erfindungsgemäß wird hierzu ein Grundkörper aus Gusseisen bereitgestellt, welcher bevorzugt bereits die Form eines Motorblocks aufweisen kann. Der Grundkörper wird zunächst einer mechanischen Vorbearbeitung (H3a) unterzogen, in deren Rahmen beispielsweise etwaige Bohrungen eingebracht werden können. Anschließend wird der so bereits mechanisch bearbeitete Grundkörper vergütet, indem dieser einer geeigneten Wärmebehandlung (H2), also der Sonderwärmebehandlung unterzogen wird. Eine Nachbearbeitung, also die Erstellung des Endmaßes kann sich anschließen.The invention relates to a method for producing a tempered component made of heat-treated cast iron (AGI). According to the invention, a base body made of cast iron is provided for this purpose, which may preferably already have the shape of an engine block. The main body is first subjected to a mechanical pre-processing (H3a), in whose framework, for example, any holes can be introduced. Subsequently, the already mechanically processed base body is tempered by this is subjected to a suitable heat treatment (H2), so the special heat treatment. A post-processing, ie the creation of the final dimension can follow.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus wärmebehandeltem Gusseisen. The present invention relates to a method for producing a component from heat-treated cast iron.
Metallische Bauteile aus Gusseisen weisen gegenüber solchen durch eine rein mechanische Bearbeitung erzeugten Bauteilen den Vorteil auf, dass deren Formgebung im Wesentlichen bereits während des Gießens erfolgt. Hierbei wird der Gusswerkstoff bis zu seinem Übergang in die Flüssigphase erhitzt und anschließend in einer Form gegossen. Durch dessen Abkühlung erstarrt dieser, so dass ein Grundkörper mit einer vorgegebenen Form entsteht. Insbesondere komplexere Bauteilformen lassen sich hierdurch erst überhaupt oder zumindest wirtschaftlicher erstellen. Letzteres verlangt zumeist höhere Stückzahlen, da der Aufwand und die damit einhergehenden Kosten für die notwendigen Formen vergleichsweise hoch sind.Metallic components made of cast iron have the advantage over such components produced by a purely mechanical treatment that their shaping takes place substantially already during the casting. Here, the casting material is heated to its transition into the liquid phase and then poured into a mold. By cooling it solidifies this, so that a basic body with a predetermined shape is formed. In particular, more complex component shapes can be created at all or at least more economically. The latter usually requires higher quantities, since the effort and the associated costs for the necessary forms are comparatively high.
Typischerweise werden zur Herstellung von Bauteilen aus Guss geeignete Eisenlegierungen verwendet, welche einen hohen Anteil an Kohlenstoff aufweisen. Dieser kann als Graphit oder als Zementit vorliegen. Je nach Art des vorliegenden Kohlenstoffes wird dabei in Grauguss (Graphit) oder weißem Gusseisen (Zementit) unterschieden. Im Hinblick auf die mechanischen Eigenschaften derartigen Gusseisens spielt das Graphit eine Rolle, da weiterhin Gusseisen in solches mit Lamellengraphit oder mit Kugelgraphit unterteilt wird.Typically, suitable iron alloys having a high carbon content are used to make cast components. This can be present as graphite or as cementite. Depending on the type of carbon present, a distinction is made in gray cast iron (graphite) or white cast iron (cementite). With regard to the mechanical properties of such cast iron, graphite plays a role, since cast iron is further subdivided into those with lamellar graphite or nodular graphite.
Durch die eingangs beschriebenen Vorteile wird Gusseisen vermehrt im Automobilbau und hier insbesondere im Bereich der Motorenherstellung verwendet. Dem allgemeinen Trend des Downsizings folgend, welcher im Wesentlichen die Reduzierung des Gewichtes unter Beibehaltung von Festigkeitseigenschaften meint, rückt dabei auch der Werkstoff Gusseisen weiter in den Fokus. Tatsächlich konnten auch für diesen neue Herstellungsverfahren entwickelt werden, mit denen höhere Festigkeitswerte erzielbar sind. So sind nunmehr verschiedene Möglichkeiten der Wärmebehandlung von Gusseisen bekannt, um neben dessen Festigkeitssteigerung gleichzeitig eine Erhöhung der Bruchdehnungseigenschaften zu erzielen. In diesem Zusammenhang wurde ein sonderwärmebehandeltes Gusseisen entwickelt, welches auch als Austempered Gray Iron oder kurz AGI bekannt ist, welches eine überaus hohe Festigkeit mit gutem Dehnverhalten bei gleichzeitig hoher Wechselfestigkeit und Beständigkeit gegenüber Verschleiß aufweist. Die
Aus den genannten vorteilhaften Eigenschaften (z.B. höhere Festigkeit) ergeben sich allerdings mitunter weitreichende Nachteile für die Herstellungspraxis. Hierbei ist es die Bearbeitung, insbesondere die mechanische Bearbeitung von Bauteilen aus sonderwärmebehandeltem Gusseisen, welche sich aufgrund der gesteigerten Festigkeit und Härte sehr aufwendig gestaltet. Hierbei sind im Wesentlichen die langen Bearbeitungszeiten und der Verschleiß an den Bearbeitungswerkzeugen zu nennen.However, the above advantageous properties (e.g., higher strength) sometimes have far-reaching disadvantages for manufacturing practice. Here it is the processing, in particular the mechanical processing of components made of special heat treated cast iron, which is very expensive due to the increased strength and hardness. Here, the long processing times and the wear on the machining tools are essentially to name.
Angesichts der an sich positiven Eigenschaften von wärmebehandeltem, also vergütetem Gusseisen lässt insbesondere dessen Verarbeitung daher durchaus noch Raum für Verbesserungen.In view of the inherently positive properties of heat-treated, ie, tempered cast iron, its processing therefore leaves room for improvement.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus wärmebehandeltem Gusseisen dahingehend weiterzuentwickeln, um den damit zusammenhängenden Fertigungsaufwand insgesamt zu minimieren und so die Wettbewerbsfähigkeit von Bauteilen aus zwischenstufenvergütetem Gusseisen in Bezug auf die Herstellungskosten zu verbessern. Against this background, the invention has the object to further develop a method for producing a component made of heat-treated cast iron in order to minimize the total associated production costs and thus to improve the competitiveness of components made of intergraded cast iron in terms of manufacturing costs.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die jeweiligen Unteransprüche.According to the invention, this object is achieved by a manufacturing method having the features of claim 1. Further, particularly advantageous embodiments of the invention disclose the respective subclaims.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und damit weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. It should be noted that the features listed individually in the following description can be combined with one another in any technically meaningful manner and thus show further embodiments of the invention.
Hiernach wird ein Verfahren vorgestellt, welches sich zur Herstellung eines Bauteils aus wärmebehandeltem Gusseisen eignet. Unter Wärmebehandlung des Gusseisen wird im Sinne der Erfindung eine solche Sonderwärmebehandlung verstanden, bei welcher sich eine vollständig ausferritische Mikrostruktur bei einer idealerweise 100%ig ausferritischen Härtung des betrefflichen Bauteils einstellt. Die erfindungsgemäße Sonderwärmebehandlung beinhaltet das Abschrecken in einem Salzbad.After that, a method is presented, which is suitable for the production of a component made of heat-treated cast iron. For the purposes of the invention, heat treatment of the cast iron is understood as meaning a special heat treatment in which a completely ausferritic microstructure is established in the case of an ideally 100% ferritic hardening of the relevant component. The special heat treatment according to the invention involves quenching in a salt bath.
Erfindungsgemäß wird hierfür ein Grundkörper aus Gusseisen, also ein Motorblock bereitgestellt. Dieser kann zuvor durch ein geeignetes Gießverfahren erzeugt werden. Neben etwaigen Entgratungsarbeiten zielt die Erfindung insbesondere darauf ab, dass der gegossene Grundkörper, also der Motorblock weitergehende Bearbeitungen verlangt. Hierfür wird der noch nicht wärmebehandelte Grundkörper zunächst einer mechanischen Bearbeitung unterzogen. Erfindungsgemäß wird der so zunächst mechanisch bearbeitete Grundkörper erst anschließend der Sonderwärmebehandlung unterzogen, um dessen Vergütung zu bewirken. Mit anderen Worten erfolgt die Umwandlung des Gusseisens in ein Vergütetes Gusseisen erst nachdem der unvergütete Grundkörper mechanisch bearbeitet wurde.According to the invention, a base body made of cast iron, ie an engine block, is provided for this purpose. This can be generated beforehand by a suitable casting process. In addition to possible Entgratungsarbeiten the invention aims in particular to the fact that the cast base body, so the engine block requires further processing. For this purpose, the not yet heat-treated body is first subjected to mechanical processing. According to the first mechanically processed base body is then subjected to the special heat treatment only to effect its remuneration. In other words, the transformation of the cast iron into a tempered cast iron takes place only after the unfired basic body has been mechanically processed.
Der sich hieraus ergebende Vorteil liegt im Wesentlichen in der Tatsache, dass hierdurch eine zügige und verschleißarme mechanische Bearbeitung des Grundkörpers zu einem Zeitpunkt erfolgen kann, zu dem dieser noch keine erhöhten Festigkeitseigenschaften aufweist. Erst nachdem die mechanische Bearbeitung erfolgt ist, wird die eigentliche Vergütung des Grundkörpers auf dem Wege der Sonderwärmebehandlung, wie diese oben definiert ist, durchgeführt.The resulting advantage lies essentially in the fact that in this way a rapid and low-wear mechanical processing of the body can be done at a time at which this still has no increased strength properties. Only after the mechanical processing has taken place, the actual remuneration of the body is carried out by way of special heat treatment, as defined above.
Besonders bevorzugt kann die hier in Rede stehende mechanische Bearbeitung im Sinne einer Vorbearbeitung betrachtet werden, welche mögliche Nachbearbeitungen, insbesondere mechanische Nachbearbeitungen selbstverständlich nicht zwingend ausschließen muss.Particularly preferably, the mechanical processing in question in the sense of a pre-processing can be considered, which of course does not necessarily exclude possible reworking, in particular mechanical reworking.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass im Rahmen der mechanischen Bearbeitung ein zumindest bereichsweises Honen des Grundkörpers durchgeführt werden kann. Unter Honen wird vorliegend eine zerspanende Feinbearbeitung von Oberflächenbereichen verstanden. Dies erfolgt zumeist mechanisch durch einen Kontakt mit einem entsprechenden Hohnwerkzeug, beispielsweise mit einer Hohnahle. Selbstverständlich kann das Honen auch im Sinne eines Abtrages erfolgen, wie er beispielsweise durch den Einsatz eines Lasers durchführbar ist.According to the invention, it is provided that, within the scope of the mechanical processing, honing of the base body can be carried out at least in regions. Hone is understood herein to mean a fine machining of surface areas. This is usually done mechanically by contact with a corresponding scurfing tool, such as a Hohnahle. Of course, the honing can also take place in the sense of a removal, as it can be carried out for example by the use of a laser.
Weiter wird im Rahmen der mechanischen Bearbeitung des Grundkörpers wenigstens eine Bohrung in oder an diesem angeordnet werden. Unter einer Bohrung wird vorliegend sowohl eine Durchgangsbohrung als auch eine Teilbohrung verstanden, wie beispielsweise ein Sackloch.Furthermore, as part of the mechanical processing of the base body, at least one bore will be arranged in or on this. In the present case, a bore is understood as meaning both a through-bore and a partial bore, for example a blind hole.
Es sei darauf hingewiesen, dass besagtes Honen und/oder Bohren auch im Rahmen etwaiger nachträglicher Bearbeitungen im Anschluss an die Sonderwärmebehandlung, also an die Vergütung des Grundkörpers erfolgen kann. Insofern kann die hier benannte mechanische Bearbeitung auch im Sinne einer Nachbearbeitung verstanden werden. Dies insbesondere vor dem Hintergrund, da Honen zumeist und Bohren mitunter zur Verbesserung der Maß- und/oder Formgenauigkeit von Bauteilbereichen verwendet wird.It should be noted that said honing and / or drilling can also take place in the context of any subsequent processing subsequent to the special heat treatment, that is to the remuneration of the base body. In this respect, the mechanical processing named here can also be understood in the sense of a post-processing. This in particular against the background, since honing mostly and drilling is sometimes used to improve the dimensional and / or dimensional accuracy of component areas.
In vorteilhafter Weise kann der Grundkörper erst nach seiner mechanischen Bearbeitung auf eine Temperatur von z.B. 850 °C bis 950 °C erwärmt werden. Dessen Erwärmung kann besonders bevorzugt im Rahmen seiner Sonderwärmebehandlung, wie diese oben definiert ist, erfolgen. In diesem Zusammenhang ist vorgesehen, dass die Erwärmung in einem geeigneten Ofen erfolgen kann. Besonders bevorzugt kann die Erwärmung dabei unter Schutzgas erfolgen. Unter Berücksichtigung beispielsweise der Wandstärke und/oder der chemische Zusammensetzung des noch unvergüteten Grundkörpers wird eine zutreffende Bestimmung der Haltezeit vorgenommen, so dass sich die oben genannten Eigenschaften (ausferritische Mikrostruktur, ausferritisches Härten) einstellen.Advantageously, the base body can only be heated to a temperature of e.g. 850 ° C to 950 ° C are heated. Its heating can be carried out particularly preferably in the context of its special heat treatment, as defined above. In this context, it is envisaged that the heating can take place in a suitable oven. Particularly preferably, the heating can take place under protective gas. Taking into account, for example, the wall thickness and / or the chemical composition of the still ungutted base body, an appropriate determination of the holding time is made, so that the above properties (ausferritische microstructure, ausferritisches hardening) set.
Im Anschluss an die Erwärmung des bereits mechanisch bearbeiteten Grundkörpers ist vorgesehen, dass dieser im Rahmen der Sonderwärmebehandlung nach seiner Erwärmung in einem Salzbad abgekühlt werden kann. Bevorzugt kann die Temperatur des Salzbades für die Umwandlung in einem Temperaturbereich von 220 °C bis 450 °C liegen. Weiterhin bevorzugt kann die Umwandlungszeit durchaus mehrere Stunden betragen. In vorteilhafter Weise wird die Umwandlungszeit so festgelegt, dass sich bevorzugt eine über 90%ige, im Idealfall 100%ige Umwandlung in ausferritisches Gusseisen ergibt.Following the heating of the already mechanically processed body is provided that this can be cooled in the context of special heat treatment after its heating in a salt bath. Preferably, the temperature of the salt bath for the conversion may be in a temperature range of 220 ° C to 450 ° C. Further preferably, the conversion time may well be several hours. Advantageously, the conversion time is set to give preferably over 90%, ideally 100% conversion to ausferritic cast iron.
Bei dem fertigen Bauteil handelt es sich um einen Motorblock. Auf diese Weise lassen sich die vorteilhaften Eigenschaften des sonderwärmebehandelten Gusseisens mit der erfindungsgemäßen einfachen und kostengünstigen Herstellung für Motorblöcke kombinieren.The finished component is an engine block. In this way, the advantageous properties of the heat-treated cast iron can be combined with the inventive simple and inexpensive production for engine blocks.
Zwar geht die Erfindung von keiner wesentlichen oder einer zumindest homogenen Formänderung des Grundkörpers während seiner Sonderwärmebehandlung aus. Allerdings wird es als vorteilhaft angesehen, wenn bereits bei der mechanischen Bearbeitung des Grundkörpers eine mögliche Formänderung durch seine anschließende Sonderwärmebehandlung also Vergütung entsprechende Berücksichtigung finden kann. Hierzu können beispielsweise etwaige Öffnungen im Rahmen der vor der Sonderwärmebehandlung erfolgenden mechanischen Bearbeitung entsprechend kleiner oder größer ausgeführt werden, so dass diese nach der Sonderwärmebehandlung bereits eine hohe Maßhaltigkeit aufweisen.Although the invention of no significant or at least homogeneous shape change of the body during its special heat treatment. However, it is considered advantageous if a possible change in shape can already be taken into account by its subsequent special heat treatment, ie compensation, during the mechanical processing of the basic body. For this purpose, for example, any openings in the context of taking place before the special heat treatment mechanical processing can be performed correspondingly smaller or larger, so that they already have a high dimensional stability after the special heat treatment.
Nach einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung kann der durch die Sonderwärmebehandlung bereits vergütete Grundkörper anschließend zumindest bereichsweise nachbearbeitet werden. Hierdurch können beispielsweise Oberflächenbereiche des Grundkörpers auf ihr Endmaß gebracht werden.According to an advantageous development of the invention, the already tempered by the special heat treatment body can subsequently at least partially reworked. As a result, for example, surface areas of the base body can be brought to their final dimensions.
Zwar stehen der Nachbearbeitung auch hier die durch die Vergütung verbesserten Eigenschaften des nunmehr sonderwärmebehandelten Gusseisens quasi entgegen, allerdings in einem nur geringen Maße. Mit anderen Worten sind zu diesem Zeitpunkt die hauptsächlichen mechanischen Bearbeitungen bereits erfolgt, so dass sich die Nachbearbeitung im Wesentlichen nur noch auf die Ausbildung der gewünschten Endmaße reduzieren lässt.Although the post-processing here, too, are somewhat counteracted by the improved properties of the now heat-treated cast iron, but to a lesser extent. In other words, the main mechanical processes have already taken place at this time, so that the post-processing can essentially only be reduced to the formation of the desired final dimensions.
Im Zusammenhang mit der Nachbearbeitung ist ferner angedacht, dass auch erst zu diesem Zeitpunkt mindestens eine Öffnung des durch die Sonderwärmebehandlung bereits vergüteten Grundkörpers im Anschluss zumindest teilweise auf ihr endgültiges Maß nachbearbeitet werden kann. Im Rahmen der Erfindung wird unter einer Öffnung auch eine Bohrung verstanden. Zudem wird auf die vorherigen Ausführungen hinsichtlich des Honens und/oder Bohrens verwiesen.In connection with the post-processing, it is further contemplated that at least one opening of the base body, which has already been tempered by the special heat treatment, can be subsequently at least partially reworked to its final dimension only at this time. In the context of the invention, an opening is also understood to mean a hole. In addition, reference is made to the previous comments regarding honing and / or drilling.
Auch kann im Rahmen der Nachbearbeitung die mindestens eine Öffnung des durch die Sonderwärmebehandlung bereits vergüteten Grundkörpers anschließend zumindest teilweise mit einem Gewinde versehen werden. Hierdurch wird eine hohe Maßhaltigkeit des erforderlichen Gewindes erreicht, bei gleichzeitig geringem Aufwand.Also, as part of the post-processing, the at least one opening of the base body, which has already been tempered by the special heat treatment, can then be at least partially provided with a thread. As a result, a high dimensional accuracy of the required thread is achieved, at the same time little effort.
Die obere Kurve steht dabei für die Produktion eines beliebigen aus sonderwärmebehandelten Gusseisen hergestellten Bauteil AGI, wohingegen die untere Kurve für die Produktion eines üblichen gusseisernen Bauteils GG steht. Wie zu erkennen, sind die Kosten zur Herstellung von Bauteilen aus wärmebehandeltem Gusseisen durchweg höher als bei üblichen gusseisernen Bauteilen aus Grauguss (GG). Hier ist es neben der Wärmebehandlung H2 insbesondere die mechanische Bearbeitung H3, welche besagte hohe Kosten verursacht. Dies aus dem Grunde, weil der wärmebehandelte Grundkörper wesentlich härter ist, was bei den Bearbeitungswerkzeugen zu erheblichem Verschleiß führt, so dass diese frühzeitig ersetzt, also neu beschafft werden müssen.The upper curve stands for the production of any part made of special heat-treated cast iron component AGI, whereas the lower curve stands for the production of a conventional cast-iron component GG. As can be seen, the costs for producing components made of heat-treated cast iron are consistently higher than in conventional cast-iron components made of cast iron (GG). Here, in addition to the heat treatment H2, it is in particular the mechanical processing H3 which causes said high costs. This for the reason that the heat-treated body is much harder, which leads to the processing tools to considerable wear, so they must be replaced early, so need to be procured new.
Die Kosteneinsparungen liegen hierbei insbesondere in der mechanischen Bearbeitung H3, welche sich erfindungsgemäß in eine Vor-Bearbeitung H3a und eine Nach-Bearbeitung oder einem Finish H3b unterteilt. Da die wesentliche Bearbeitung im Rahmen der Vor-Bearbeitung H3a stattfindet, reduziert sich der Aufwand und somit die Kosten in der Nach-Bearbeitung oder dem Finish H3b deutlich. Allerdings muss beachtet werden, dass durch den vorgelagerten Vorbearbeitungsprozess auch bereits Kosten entstehen, wodurch der Graph AGIn zunächst im Bereich H3a und H2 nachteiliger Weise oberhalb des Graphen AGI liegt. Dieser zunächst nachteilige Kostenfaktor wird jedoch durch den geringeren Aufwand der Bearbeitung und durch den geringeren Verschleiß der Bearbeitungswerkzeuge nach der Sonderwärmehandlung mehr als aufgehoben, sogar erheblich reduziert, wie der Doppelpfeil zwischen den Graphen AGI und AGIn darlegt. Der Doppelpfeil stellt den Kostenvorteil des erfindungsgemäßen Vorgehens gegenüber dem herkömmlichen Vorgehen dar.The cost savings are here in particular in the mechanical processing H3, which according to the invention is divided into a pre-processing H3a and a post-processing or a finish H3b. Since the substantial processing takes place in the context of the pre-processing H3a, the effort and thus the costs in the post-processing or the finish H3b significantly reduced. However, it has to be considered that the upstream preprocessing process also already incurs costs, whereby the graph AGIn initially disadvantageously lies above the graph AGI in the region H3a and H2. However, this initially disadvantageous cost factor is more than offset by the lower cost of machining and the lower wear of the processing tools after the special heat treatment, even significantly reduced, as the double arrow between the graphs AGI and AGIn sets out. The double arrow represents the cost advantage of the procedure according to the invention over the conventional procedure.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
-
- AGIAGI
- Graph für herkömmlich bearbeitetes BauteilGraph for conventionally machined component
- AGInAgin
- Graph für erfindungsgemäß bearbeitetes BauteilGraph for inventively processed component
- GGGG
- Gusseisen (unvergütet)Cast iron (without quality)
- H1H1
- Produktionsschritt GießenProduction step casting
- H2H2
- Produktionsschritt WärmebehandlungProduction step heat treatment
- H3H3
- Produktionsschritt mechanische Bearbeitung (allgemein)Production step mechanical processing (general)
- H3aH3a
- Produktionsschritt mechanische Vor-BearbeitungProduction step mechanical pre-processing
- H3b h3b
- Produktionsschritt mechanische Nach-BearbeitungProduction step mechanical post-processing
- TT
- ZeitTime
- UU
- Kostencosts
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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